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摘要：随着时代和技术的发展，智能变电站已经成为综合自动化变电站的发展方向。在智能变电站中，站控层和间隔层之间采用基于以太网的IEC61850协议通讯，取代了传统的103等通讯协议；同时，间隔层和过程层之间也取消了传统综自站的二次电缆，通过交换机网络传输保护跳闸命令、开关信号、采样值信息等，该网络称之为过程层网络。目前典型的智能变电站网络结构均为“三层两网”，三层指站控层、间隔层和过程层，两网指站控层网络和过程层网络。“三层两网”的典型网络结构在工程实际应用中已经相当成熟，在此基础上也有提出进一步优化网络设计的方案，特别是在110kV等级智能变电站优化原来“三层两网”的结构，试点采用“三网合一”的通信网络架构，将过程层、间隔层和站控层设备统一连接到一层网络，实现了全站信息共享。该方案在新一代智能变电站实施中得到试点应用，从试点的情况看，在110kV等级及以下推广前景广阔。
关键词：智能变电站；过程层网络；三网合一；网络流量管理
本文将详细讨论“三网合一”网络流量的特点，及网络流量管理的各种方式，并提出适合现阶段应用的网络流量管理方式。
1三网合一网络特点分析
1.1.智能变电站的常用网络架构
智能变电站二次设备网络结构一般分为站控层、间隔层和过程层，站控层和间隔层之间的网络为MMS网，间隔层和过程层之间的网络为GOOSE或SMV网(统称为过程层网络)。目前，智能变电站大多采用星型网络结构，也有个别试点站在MMS网的主干网络采用环形组网，过程层网络使用环形组网的仅在低压配电网中有研究和应用。
过程层的SMV网和GOOSE网可共网或单独组网；如果再将站控层网络MMS网和SMV网、GOOSE网合一，则形成三网合一的网络结构，此时过程层网络和站控层网络共网运行。
目前，智能开关还是采用普通开关加智能终端组合的方式实现，合并单元可接入电子互感器也可接入常规互感器。过程层设备中保护装置的SMV和GOOSE报文可采用点对点通信模式，也可采用组网方式；测控装置的SMV报文和GOOSE报文一般均采用组网方式。
当采用点对点通讯时，因为是一对一通讯，不经过交换机，一般不需要考虑流量管理；当采用组网通讯时，站控层网络MMS和过程层网络SMV、GOOSE报文均经过交换机传输。本文以图1所示的星形网络为例，讨论在组网情况下应用交换机对网络流量进行管理的方法。
图1 智能变电站网络架构
1.2.三网合一网络流量特点
表1 过程层报文特点比较
三网合一各种报文的特点如表1所示，总结如下：
1)为了传输的快速性和高效性，按照IEC61850规范，GOOSE和SMV报文直接映射到二层（即数据链路层），直接采用MAC地址传输，不经过TCP/IP协议栈的封装。
2)为了传输的可靠性，按照IEC61850规范，MMS报文直接映射到第三层（即TCP/IP层），采用IP地址传输，经过TCP/IP协议栈的封装。MMS报文采用单播传输，可以面向连接的点对点TCP/IP方式可靠传送数据。
3)GOOSE和SMV报文采用组播（或称多播）传输，这样可以更好地实现过程层的“订阅/发布”机制，实现一发多收，并能很好地控制其转发范围。
4)从流量上来看，MMS因为单播点对点传输，在交换机网络上影响较小，可以不考虑限制，但需要考虑GOOSE、SV组播报文对MMS通信的影响；GOOSE平时流量不大，但遇到系统较严重的故障许多信号同时产生（如雪崩试验）时，会有很大的突发流量；SMV报文流量很大（采用IEC61850-9-2传输时，合并单元每个口的流量因通道数不同约为8-10Mbps数量级），但非常平稳。
1.3.三网合一网络风险点分析
综上所述，智能变电站三网合一网络主要存在以下风险点：
1)组播流量大。由于SMV报文的引入，使得过程层网络流量较常规综自站或智能变电站站控层网络大很多，一般是数十倍的关系。
2)突发流量。遇到变电站事件集中发生时，过程层网络会产生瞬时突发流量，此时必须保证有充足的带宽余量。
3)网络风暴的危害。尽管星型网络可以避免因环网结构或环网协议失效而产生的网络风暴，但若网络上某装置异常突然产生大量扰动报文或外来源头加入大量扰动报文导致网络流量突然增大到数倍于正常流量，可能使整个网络众多装置受冲击而异常，造成全站网络瘫痪。
1.4.防范和管理措施
针对以上风险点，可以采用如下措施进行防范和管理：
1)针对过程层报文全部为组播的特点，对报文转发范围进行控制，充分节省带宽。
2)设计时充分考虑交换机各口带宽余量，级联口可采用千兆口，尽量保证各端口实际使用带宽不超过端口额定带宽的60%。
3)在交换机各边缘端口（即除级联口外的其它端口）采用输入速率限制，防止网络风暴或各种异常流量造成对装置造成灾难性的冲击。
4)在交换机采用基于MAC地址和基于协议类型的流量控制技术。针对过程层SV、GOOSE报文的单个组播MAC地址，按照网络协议类型分别进行稳态流量和瞬时流量限制；针对站控层ARP等网络协议，按照网络协议类型进行稳态流量限制。实现报文流量优化控制从而保障整个交换机的正常运行和整个智能站系统的稳定运行。
2组播报文流量管理方式
2.1.组播报文传输的特点
组播传输是在单个发送者和多个接收者之间实现点对多点通讯的一种传播方式，介于单播传输和广播传输之间。如果一台发送者同时给多个的接收者传输相同的数据，也只需发送一份数据，发送到一个特定的预约的组播地址，所有加入该组的接收者均可以收到该数据。它提高了数据传送效率，减少了骨干网络出现拥塞的可能性。不影响不接收该组播数据的主机，能够节约网络带宽，降低主机处理负担。
对于发送者来说，只需将数据发送到一个预先约定的组播地址，传输到交换机上即可。
对于传输环节来说，二层交换机如不进行控制，其对组播的处理方式等同于广播，即从交换机一个端口进入的组播报文将对除该端口外的所有端口转发。这样必然浪费交换机的带宽，增加交换机的传输负荷，减小了网络的安全余度。
对于接受者来说，网卡可以对组播报文进行过滤，选择性接受后发给CPU，CPU只需要接收自己关心的特定组播地址的组播报文，不会受到多余组播报文的冲击。但是，如果交换机不进行控制，会将所有组播报文转发给各个接收者，接受者的网卡还是会受到多余的冲击。
2.2.过程层网络常用流量管理方式比较
目前过程层网络常用流量管理方式比较如表2所示：
2.3.适合现阶段应用的管理方式
GMRP鉴于其可靠性及可控性，目前使用较少。虽然从长远角度看，GMRP可以增加灵活性和减少配置工作量，但其真正大规模应用还需要较长时间的实践和验证过程。
VLAN和静态组播管理通过配置均可达到控制SV和GOOSE报文转发范围的目的，二者用其一即可。但是，VLAN的配置策略的制定和实际操作都比较复杂，而且各个厂商交换机的VLAN配置方式和VLAN转发规则均不相同，给系统集成商的工程服务人员现场操作带来很大困难，在过程层大规模应用不是最好的选择。
静态组播管理采用静态配置，在保证可靠性和可控性的同时，配置策略清晰简洁，而且各厂商交换机的静态组播控制策略和配置方式基本相同，为现场实施和操作带来很大便利。
可见，在现阶段，采用静态组播的方法对过程层报文流量进行管理，应该是最优的解决方案。
表2 报文流量管理方式比较
3流量管理在三网合一网络中的应用
3.1凤凰山变电站基本情况
青海西宁110kV凤凰山变电站采用了全数字化和三网合一等先进技术，采用110千伏直降10千伏电压层级，代表了国家电网新一代智能站110kV等级建设最新动向。全站有主变2台，110kV出线4回，10kV出线30回。
该站过程层设备全部数字化，采用电子式互感器，通过IEC61850-9-2上送采样值，通过GOOSE传送跳闸、开关量等信息，全站SMV网、GOOSE网、MMS网共享单网，采用星型网络。
3.2凤凰山变电站三网合一网络的配置运行情况
该站三网合一网络配置运行情况如下：
1）采用静态组播技术。过程层SV、GOOSE报文和站控层一体化监控系统内部数据同步组播报文全部采用静态组播技术，实现任意单个组播只在需要的交换机网口中输出，实现SV、GOOSE、监控系统数据同步报文最优化路径传输，对整个交换机端口输出流量进行最优化控制；将未知组播丢弃，严格控制交换机每个端口只转发该端口所接装置需要的组播报文，不受到多余的组播报文冲击，验收时通过了电科院进行的各种测试；
2）采用基于MAC地址和基于协议类型的流量控制技术。针对过程层SV、GOOSE报文的单个组播MAC地址，按照网络协议类型分别进行稳态流量和瞬时流量限制；针对站控层ARP等网络协议，按照网络协议类型进行稳态流量限制。实现报文流量优化控制从而保障整个交换机的正常运行和整个智能站系统的稳定运行。交换机设置单条组播稳态最大流量限值，超过该限值，交换机将丢掉该组播数据，保证整个系统的网络稳定流量安全。设置SV报文，稳态最大流量限值为16000kbps，GOOSE报文，稳态最大流量限值为1024kbps。交换机设置单条组播瞬时最大流量限值，超过该限值，交换机将丢掉该组播数据，保证整个系统的网络暂时流量安全。设置SV报文，瞬时最大流量限值为1024kbps，GOOSE报文为，瞬时最大流量限值为500kbps。交换机设置站控层ARP等广播报文最大流量限值，超过该限值，交换机将丢掉该广播数据，保证整个系统的网络稳定流量安全。设置广播报文，最大流量限值为1024kbps。
3）该站2015年12月30日投入运行以来，过程层网络一直稳定、可靠运行，连续12个月观察站内过程层各二次设备的运行情况，未出现断链、丢帧等异常现象。
4结语
上文在试点采用“三网合一”通信网络架构的110kV等级智能变电站中，针对网络流量管理进行了实践和探讨，从试点的情况看，“三网合一”通信网络架构在110kV等级及以下智能变电站中推广前景广阔。
参考文献
[1]樊陈,倪益民,窦仁辉,等.智能变电站过程层组网方案分析[J].电力系统自动化,2011,35(18):67-71.
[2]王璐.智能变电站过程层组网分析与应用[J].电力系统保护与控制,2012,40(2):141-144.
论文作者:马国亮
论文发表刊物:《电力设备》2018年第23期
论文发表时间:2018/12/29
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